無級變速器錐盤車磨復合加工數(shù)控技術(shù)探析

高曉翔

(泰州技師學院,江蘇 泰州 225300)

無級變速器簡稱CVT,其中主動輪與從動輪是CVT的重要傳動部件。該部件由兩個錐盤組合而成,由于錐盤本身對接觸疲勞強度的要求較高,所以在選材、加工等方面的技術(shù)要求也較高。錐盤的加工質(zhì)量與CVT的傳動效率密切相關(guān),還會影響其穩(wěn)定性及使用壽命。為提高錐盤的加工質(zhì)量,可采用復合加工中心數(shù)控技術(shù),確保錐盤的孔徑、錐面、溝道等達到精度要求。

1 無級變速器錐盤復合加工關(guān)鍵技術(shù)

1.1 溝道尋邊定位

1.1.1 定位系統(tǒng)

通過分析錐盤結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),其內(nèi)孔中有磨削而成的溝槽,以均勻形式分布于孔內(nèi)。在錐盤磨削加工過程中,為提高加工效率,制造毛坯時可對溝道預加工,將磨削余量控制在0.2 mm內(nèi)[1]。溝道磨削加工前,要快速、精準地對內(nèi)控中的直線溝道定位及找正。通常情況下,數(shù)控設備對工件進行定位和找正時會用到尋邊裝置,多為接觸式。實踐表明,通過這種方法定位溝道時,受到溝道本身突起的影響,易造成傳感器損壞。圖像處理技術(shù)在定位中具有一定的適用性,但由于攝像機昂貴,導致成本過高,且處理算法的復雜程度較高,限制了該技術(shù)的推廣應用。針對定位方法存在的不足,提出了一種在線定位方法。錐盤內(nèi)控溝道的分布情況如圖1所示。

圖1 CVT錐盤內(nèi)控直線溝道示意圖

圖1中紅線的圓形為通孔,在內(nèi)控周圍均勻分布多條間距相等的溝道,定位時找到其中任意一條溝道的位置便可通過計算得出其余各條溝道的中心線位置。錐盤的內(nèi)控端面是一個具有漫反射性質(zhì)的表面,根據(jù)該性質(zhì)設計出一種定位方法,即基于漫反射光電式開關(guān)的在線定位,該方法工作時的時序關(guān)系如圖2所示。

圖2 基于漫反射光電式開關(guān)定位的時序關(guān)系

利用圖2中的已知參數(shù),通過計算,能夠得出內(nèi)孔溝道的中心線位置,計算公式如下:

(1)

1.1.2 計算方法

在錐盤內(nèi)孔中共有6道均勻分布的溝道,測量距離設定為10 mm,傳感器為IP67級光電式開關(guān)傳感器,光點的直徑為10 μm。采集到的編碼器脈沖數(shù)依次為50、80、140,用N1、N2、N3表示,通過上述公式,可計算出起始位置θ0=4.39°。第一條溝道的中心線位置θ1為9.66°,內(nèi)孔中其余5條溝道的位置按從小到大的排列順序依次為69.66°、129.66°、189.66°、249.66°、309.66°[3],由此能夠快速地對內(nèi)孔中的所有溝道進行準確定位。

1.1.3 試驗驗證

為了對該定位方法的可行性進行驗證,開展了試驗測試,結(jié)果顯示,在未反饋細分情況下,轉(zhuǎn)速為0.1 r/min、0.5 r/min時,定位誤差分別為0.1517°、0.1151°,經(jīng)100倍頻細分后,可滿足工件0.005°的定位精度要求,說明此定位方法合理、可行,適用于CVT錐盤車磨復合加工。

1.2 孔徑與錐度測量

由CVT錐盤復合加工的關(guān)鍵技術(shù)指標可知,當車削、磨削加工完畢后,需測量錐盤的內(nèi)孔直徑及其端面的錐度。按照錐盤的結(jié)構(gòu),結(jié)合數(shù)控機床工位要求,設計測量裝置,為數(shù)控機床在線測量目標的實現(xiàn)提供支撐。測量裝置的基本原理如圖3所示。

圖3 錐盤孔徑及錐度在線測量原理

設計的測量裝置由多個傳感器構(gòu)成,包括內(nèi)孔傳感器、軸向位移傳感器等。傳感器的測量精度范圍可達到±100 μm,內(nèi)孔及錐度傳感器的測量精度分別為0.0015 mm、0.0010 mm[4]。

1.3 電動機調(diào)試

對電動機的調(diào)試主要是伺服特性,選用西門子公司出品的6.1 kW伺服電動機,其額定轉(zhuǎn)速為3000r/min,自帶增量編碼器,配有電源模塊。電動機伺服特性調(diào)試回路如圖4所示。

圖4 電動機伺服特性測試回路示意圖

由于CVT復合加工機床有較多的進給環(huán)節(jié),采用常規(guī)的PID控制器很難達到預期的控制效果。UMAC(運動控制器)采用全新的PID算法,對系統(tǒng)的整體性能加以改善,可使其滿足高精度的要求。與傳統(tǒng)的PID相比,UMAC引入前饋控制算法,在確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定的基礎(chǔ)上補償被調(diào)增量,從而使系統(tǒng)的魯棒性得到進一步增強,解決了機械諧振問題。UMAC提供多種信號源,包括7種特定及1個自定義,能夠?qū)ID的相關(guān)參數(shù)加以調(diào)節(jié),滿足伺服系統(tǒng)要求。對PID參數(shù)整定后,系統(tǒng)的響應時間、跟隨誤差有所減小,伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性隨之提高。

2 基于無級變速器的錐盤復合加工數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 結(jié)構(gòu)特點

按照CVT錐盤的加工情況,采用開放式設計方法,構(gòu)建以PC與UMAC相結(jié)合的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點如下:模塊化。所有模塊之間相互獨立,互相關(guān)聯(lián),有標準化的接口,模塊可按照需要增加。可移植性。數(shù)據(jù)格式及控制機制統(tǒng)一,源代碼能夠兼容多種計算機平臺,軟件可在不同平臺中運行。操作性。系統(tǒng)中所有的組件都采用具有標準化特征的應用程序界面,即API,從而使模塊間的數(shù)據(jù)能夠按統(tǒng)一格式傳輸,可操作性更強。可擴展性。按照生產(chǎn)需要,利用系統(tǒng)提供的API,依據(jù)編程規(guī)范,可在較短的時間內(nèi)開發(fā)出功能模塊,使系統(tǒng)具備擴展能力。

2.1.2 總體結(jié)構(gòu)方案

按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,在充分考慮CVT錐盤復合加工工藝及對數(shù)控系統(tǒng)高要求的基礎(chǔ)上提出基于PC與UMAC相結(jié)合的數(shù)控系統(tǒng)。PC歸屬于硬件設備范疇,為系統(tǒng)重構(gòu)提供了便利。還有極為豐富的軟件資源,在軟件開發(fā)上具有較強的靈活性,故將PC作為平臺搭建數(shù)控系統(tǒng)。基于PC的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)途徑較多,常用的有NC+PC、PC+NC及純PC。對比分析發(fā)現(xiàn),PC+NC的靈活性好,可使軟件資源得到有效利用,故選擇PC+NC構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)。整個數(shù)控系統(tǒng)采用工控機與運動控制卡相結(jié)合的控制模式,將工業(yè)計算機作為主機,主要負責非實時性任務的處理(如系統(tǒng)管理、故障診斷、數(shù)控編程及通信等)[5]。運動控制卡與工業(yè)計算機經(jīng)現(xiàn)場總線連接,負責實時性控制任務,包括位置控制、刀具補償及速度處理等,還能對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控,確保模塊的獨立性。

2.2 硬件設計

2.2.1 運動控制器

UMAC是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件,要求其能夠?qū)Χ嗯_電動機進行多軸協(xié)調(diào)控制,其選型直接關(guān)系著整機的控制性能,需在系統(tǒng)硬件設計過程中對運動控制器的選擇予以高度重視。

本次開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)主要為CVT錐盤復合加工服務,因此選用的UMAC應滿足如下要求:輸出分辨率不低于24位,最高脈沖的輸入頻率不低于13 MHz,可接收到相關(guān)的反饋信號,包括光柵尺的絕對值及編碼器的增量等。可對Windows系統(tǒng)的資源加以利用,開發(fā)友好的人機交互界面,可以擴展,便于開發(fā)更多新的功能。

通過比較確定,選用TAU公司出品的UMAC伺服運動控制器。該控制器的處理器為DSP56303,最多能夠同時控制32個軸的運動,最高脈沖的輸入頻率為40 MHz,完全可以滿足CVT錐盤復合加工過程對精度及速度的控制要求。其與上位機的通信方式較多,可根據(jù)實際情況合理選擇,配有多種接口模塊,為伺服驅(qū)動器及編碼器的連接提供便利條件。其有3種常用的輸出模式,即PFM、PWM及DAC,支持擴展I0口。此外,UMAC還為用戶提供了開發(fā)調(diào)試軟件,可對電動機的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測。

UMAC具有如下特性:運動控制、伺服、換相、補償、安全、計算、笛卡爾坐標系、運動程序、PLC程序等,因此UMAC具有諸多功能:支持直線及圓弧插補,運動前瞻控制,可隨時改變PID參數(shù),支持用戶自定義伺服算法,輸出模式為PWM時,支持數(shù)字電流環(huán),支持多種補償(如力矩補償、刀具半徑補償、位置補償?shù)?,軟硬件限位,跟隨誤差報警,可對多項任務在同一時間內(nèi)進行處理,能夠?qū)Σ煌淖兞款愋妥詣悠ヅ?支持笛卡爾坐標系自定義與多個電動機不同的坐標系,支持各類高級程序語言(如C++、JAVA等)。UMAC模塊的構(gòu)成情況如圖5所示。

圖5 UMAC模塊結(jié)構(gòu)示意圖

UMAC命令包括以下幾種:在線、運動程序、PLC程序等。其中,在線命令包含全局命令、坐標系命令、電動機命令等。運動程序命令包含運動模式、運動特征及軸特征等命令。PLC命令包含命令發(fā)布、數(shù)據(jù)信息傳輸與顯示等命令。UMAC的任務優(yōu)先級如圖6所示。

圖6 UMAC的任務優(yōu)先級示意圖

2.2.2 伺服系統(tǒng)

CVT錐盤復合加工過程對機床精度有較高的要求,故選用模擬控制。在該控制方式下,伺服裝置的選擇是重點,為達到CVT錐盤機床復合加工的性能要求,X、Z及A軸全部選用德國西門子公司生產(chǎn)的交流同步電動機,選用德國威馬公司生產(chǎn)的電主軸作為工件的電主軸。驅(qū)動器為西門子公司的產(chǎn)品,型號為611U,其特點是功能強大,配置靈活,由電源饋入、控制板及功能等模塊組成,相互獨立,通過標準化的方法設計[6]。

2.2.3 機床電氣回路

為避免數(shù)控系統(tǒng)運行過程中受到外界干擾,UMAC引入直流穩(wěn)壓電源,利用光譜隔離技術(shù),實現(xiàn)回路中強電與弱電的分離,最大限度降低電壓波動產(chǎn)生的影響并抑制噪聲干擾。伺服系統(tǒng)的主回路采用380 V交流電源輸入,UMAC經(jīng)板卡底部的端口輸出模擬量控制信號,電主軸內(nèi)置磁柵編碼器。PLC的輸入和輸入電壓均為24 V,內(nèi)孔、錐面及溝道3個磨削主軸及修形電機由PLC進行控制。

2.3 軟件開發(fā)

2.3.1 開發(fā)方法

面向?qū)ο蟆Ｖ饕襟E包括OOA、OOD,前者是面向?qū)ο蠓治?后者是面向?qū)ο笤O計。與結(jié)構(gòu)化的軟件開發(fā)技術(shù)相比,面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)更容易操作,任務間的耦合程度非常高,開發(fā)出來的軟件更加可靠,能夠重復利用。

操作系統(tǒng)。支持數(shù)控軟件的有DOC、LINUX、WINDOWS、RTXC、QNX等,這些操作系統(tǒng)既有通用型,也有專用型。確定選用WINDOWS作為數(shù)控系統(tǒng)的操作系統(tǒng),其功能強大,技術(shù)成熟,可以滿足數(shù)控加工需要,能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

.NET框架。這是一款由微軟公司開發(fā)的技術(shù)平臺,為軟件開發(fā)提供了良好的編程環(huán)境,令Web程序及服務建立變得更加容易。.NET框架在軟件開發(fā)方面的優(yōu)勢如下:可自由選擇適宜的編程語言,編寫好的程序能夠移植到不同系統(tǒng)中,基礎(chǔ)類庫與組件庫非常豐富,無需注冊表。CLR的加入避免了內(nèi)存泄漏問題的發(fā)生,可對數(shù)據(jù)庫進行訪問。C#是一款專為.NET框架設計的編程語言,具有面向?qū)ο蟮幕咎卣?即繼承性、抽象性、多態(tài)性、封裝性。C#語法簡單,支持XML,安全性更高。

2.3.2 軟件功能

開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)體系

控制系統(tǒng)能夠完成實時與非實時性任務的控制(如位置、速度、刀具補償、參數(shù)設置、故障診斷等)。其中,實時任務由UMAC與PLC共同完成,而非實時性任務則由PC機負責完成。軟件借助任務協(xié)調(diào)模塊,對UMAC及PLC進行調(diào)用,以實現(xiàn)實時控制。通過C#語言編寫任務協(xié)調(diào)模塊,保證該模塊的可用性。按照CVT錐盤的加工特點,對人機界面加以規(guī)劃,使其滿足應用需要。作為整個數(shù)控系統(tǒng)的操作平臺,人機界面尤為重要,為人機交互提供了可能。在人機界面功能模塊軟件開發(fā)中選用PcommServer通信驅(qū)動,支持以太網(wǎng)總線通信,帶有COM接口程序,通過對PcommServer的調(diào)用,可實現(xiàn)PC機與UMAC之間的通信聯(lián)接[7]。為了解機床的運行狀態(tài),在人機界面的開發(fā)中加入顯示界面,對伺服軸所在的位置及運轉(zhuǎn)速度等進行實時顯示,為運行監(jiān)測提供便利。

3 結(jié)束語

無級變速器錐盤車磨復合加工是一項復雜的工作,為提高錐盤的精度及質(zhì)量,應采取有效的控制措施,對加工過程進行控制。未來,要加大對數(shù)控技術(shù)的研究力度,不斷改進優(yōu)化,使其更加完善。